气举采油设计方法

一、气举采油的概念
气举采油就是依靠地面注入井内的高压气体与油层产出流体在井筒中混合,利用气体的膨胀使井筒中的混合液密度降低,将流入到井内的原油举升到地面的一种采油方式。

二、气举采油的方式
气举采油主要分为连续气举、间歇气举、腔式气举与柱塞气举四类。

(1)连续气举方式
连续气举就是连续不断往井下注气,使油井持续稳定生产。

连续气举适应产能较高的油井,产量可以适应16m3/d~11924m3/d。

连续气举生产管柱可以分为开式管柱、半开式管柱与闭式管柱,如图1所示。

对于开式管柱而言,可以环空注气,油管采油。

也可以就是油管注气,环空采油。

图1 气举管柱的类型
(2)间歇气举方式
间歇气举就是间断地把气体注入油井中,通过气举阀进入油管,把气举阀上面的液柱段举升到地面。

间歇气举可以就是半开式或闭式,一般采用闭式作为间歇气举。

间歇气举由于具有单流阀可以达到很低的井底流压,一般适应于低压低产井,产量从0、16m3/d ~80 m3/d。

(3)腔式气举方式
腔式气举就是一种特殊的间歇气举,主要应用于低产能井。

腔式气举的生产管柱下面有一个集液腔包,以便有足够的液柱,如图2所示。

它的排液与举升与间歇气举相似。

不同的就是当气举工作阀打开时,气体把腔包的液体往下推,由于下面有单流阀,迫使液体进入油管,气体把这段液柱举升到地面。

这时地面控制阀(连续气举不存在)关闭,工作阀也关闭。

环空(腔包)通过泄压孔与油管压力平衡,防止气
锁,这样腔包压力下降,单流阀打开,地层液体进入腔包。

该过程不断循环进行腔式间歇气举。

图2 腔式气举生产管柱图3 柱塞气举生产管柱
(4)柱塞气举方式
柱塞气举就就是在举升的气体与液柱之间增加一个固体柱塞,防止液柱滑脱,以提高举升的效率。

此外,柱塞气举还能起到油管清蜡的作用。

柱塞气举把气体注入环空中,通过气举阀注入在柱塞下面,把柱塞上面的液柱举到地面。

当柱塞到达地面时,与防喷器顶针相撞时,柱塞中间的阀门打开,柱塞上下压力平衡,由于重力作用,柱塞落到油管下面。

当柱塞落到下面与单流阀上面的弹簧相撞,柱塞中间的阀门关闭,把柱塞上面的液体隔住,重复这个过程,不断把液柱举到地面。

柱塞气举生产管柱如图3所示。

这种气举方式不适用于井斜角较大与出砂的井。

三、气举阀
(1)气举阀使用的必要性
气举过程(环空注气,油管采油)中,当启动压缩机向环空中注入高压气体时,环空液面将被挤压下降,如不考虑液体被挤入地层,环空中液体将全部进入油管,油管内液面上升。

随着压缩机压力的不断提高,环空内的液面最终将达到油管鞋处,井口注入压力达到的最高值称为启动压力。

气举时压缩机压力随时间的变化曲线如图4所示。

图4 气举采油时启动压力随时间变化曲线
从图4中可以瞧出,气举正常生产时的工作压力比启动压力小得多,这就势必造成压缩机功率的浪费,增加投入成本。

为了降低压缩机的启动压力与工作压力之差,必须降低启动压力。

假设在油管不同深度装上阀孔,当注入高压气体时,气体从阀孔进入油管,降低阀孔上部油管的混合液密度,从而排出上部油管液体。

进一步地设想,当油管内的压力下降到某一界限的时候,阀孔关闭,高压气体又推动环空液面下行,到第二个阀孔。

以此类推,从而排出井筒中的积液,使油井正常工作,这就就是气举阀的作用。

(2)气举阀的结构
气举阀主要由阀体、风包、球与球座、单流阀与上下密封圈
组成。

气举阀内部构造如图5所示。

风包中充有硅油,它与氮气室
相通,当风包压力变化时,由于风包的硅油不能压缩,它通过一个
小孔与氮气室相通来达到压力平衡,这样减缓了风包的移动速度,
减小球与球座的撞击,同时风包就是三层蒙乃尔纲制成,它可以耐
压3000psi 至4000psi,在风包每个折叠之间有一个特氟隆垫圈,防
止风包过度压缩,延长风包寿命。

球就是锰合金制成,球座就是耐
腐蚀材料制成。

(3)气举阀的分类
套压控制阀也称套管压力操作阀或气压控制阀,当其关闭时,有50%~100%就是对套压敏感,而打开状态时则100%对套压敏感,打开或关闭阀必须提高或降低套压。

液压控制阀也称油管压力操作阀或液压控制阀,在关闭状态时,有50%~100%对油压敏感,打开状态时100%对油压敏感,打开或关闭阀则要响应地提高或降低油压。

套压控制阀主要用于连续气举中,油压控制阀主要应用于双管气举中。

气举启动压力 气举工作压力
图5 气举阀内部结构
在间歇气举中,当气举阀打开时,需要快速注入大量的气,以减少液柱滑脱,这样需要气嘴大。

气嘴大关闭阀门所需的套压降也越大,不利于充分利用套压提高气举效率。

为了适应间歇气举特殊要求:气嘴大,而且气举阀跨度小。

专门设计的继动阀,它有两个气嘴:一个小的气嘴叫做控制嘴子,用于控制阀门的打开,这样气举阀跨度可以降到很小,所需压力降也很小,气举注入深度可以达到很深。

另外还有一个大的嘴子,叫做进气嘴子,由于气嘴大,可以满足间歇气举快速注气要求,把液柱快速举升到地面。

气举阀的分类如图6所示。

(a)套压气举阀 (b)油压气举阀 (c)继动阀 图6 气举阀的分类
四、单管气举设计
单管完井气举采油通常采用套压控制的风包气举阀。

(1)根据油井的产量、气液比、含水与井口压力以及油管尺寸,选用有关公司按照多相垂直管流经验相关式,绘制的流动压力梯度曲线,或直接借助计算机软件作出油井流动压力梯度曲线(1)(如图7a);
(2)根据地面注气压力、气体的相对密度(参考气柱压力系数表-《海上采油基础P741-742》),可以得到注气压力梯度曲线;
(3)根据完井液的密度与井口压力作出油管排液的压力梯度曲线(3)(如图7a);
(4)排液压力梯度曲线与注气压力梯度曲线交点的深度就就是第一级气举阀的深度(4)(如图7b)。

如果气举阀放在这个深度,由于排液时油压与套压相同,气举气无法从环空中注入油管中。

所以在所有气举设计中,气举阀位置往上移,使得套压比油压高30psi~50psi,以保证气体能注入油管,进行排液,如图7b 所示;
(5)根据井底温度T BH 与井口温度T WH 作出油井温度梯度曲线(5)(如图7c);
(6)根据这级阀深度下的油管流压p t 、套压p c 与温度,查氮气风包温度校正系数表(《海上采油基础P744》)、可以得到温度校正系数C t ,,选择小气嘴气举阀,其进气量与压力关系可查气举阀气嘴流量曲线图(《海上采油基础P755》)。

根据阀门的技术规范,查气举阀技术规范(《海上采油基础P724-725》)可以得到气举阀的A p /A b 与油压影响系数TEF ;
(7)把数据代入即可以得到第一级气举阀的试验台打开压力P TRO :
活塞上移 活塞下移
进气 进气
c t TRO t
p p TEF p C +⋅= (8)第二级气举阀设计,从第一级气举阀流动压力作起点,以完井液梯度为斜率作与直线(3)平行的第二级气举阀压力梯度曲线(6)(如图7d);
(9)它与注气压力梯度曲线相交点就就是第二级气举阀深度线(7),同样道理阀门位置向上移动,使得套压大于油压30psi~50psi(如图7e);
如果第二级阀门地面注气压力与第一级阀门注气压力相同,当注气点到达下面深一点,产量上升,油管压力上升,可能导致第一级阀门重新打开,这样形成多点注气,效率低,应该避免。

所以下面每一级阀门的地面注气压力逐渐降低10psi~50psi,以保证上一级气举阀关闭(如图7f);
(10)根据这个新的套压p c2,可以得到第二级阀门深度下的油压p t2、套压p c2与井温T 2,采用第一级气举阀相同步骤可以得到第二级阀门的P TRO 。

(11)重复步骤(8)~(10),可以得到每一级气举阀的深度与调试台打开压力P TRO ,当套压大于油管压力1、03MPa 左右,这一级阀门就就是最下面的气举阀,而且应该作为注气工作阀;
(12)气举工作阀设计,在气举生产中,我们希望气举工作阀一般都保持打开工作状态,除非油井动态与预测相差太远。

所以在计算P TRO 时,油管压力一般采用设计油管压力的一半(如图7f)中的p min ;
图7 单管气举气举阀设计过程。